יישומים רב-תחומיים, החל מבטיחות תעשייתית ועד ניהול בריאות

עם ההתפתחות המהירה של טכנולוגיות כמו האינטרנט של הדברים ובינה מלאכותית, חיישני גז, מכשיר חישה חשוב המכונה "חמשת החושים החשמליים", מאמצים הזדמנויות פיתוח חסרות תקדים. החל מהניטור הראשוני של גזים רעילים ומזיקים תעשייתיים ועד ליישום הרחב שלה באבחון רפואי, בית חכם, ניטור סביבתי ותחומים אחרים כיום, טכנולוגיית חיישני גז עוברת טרנספורמציה עמוקה מפונקציה יחידה לבינה, מזעור ורב-ממדיות. מאמר זה ינתח באופן מקיף את המאפיינים הטכניים, את התקדמות המחקר העדכנית ביותר ואת מצב היישום העולמי של חיישני גז, תוך התמקדות מיוחדת במגמות הפיתוח בתחום ניטור הגז במדינות כמו סין וארצות הברית.

מאפיינים טכניים ומגמות פיתוח של חיישני גז

כממיר הממיר את חלק הנפח של גז ספציפי לאות חשמלי מתאים, חיישן הגז הפך למרכיב הכרחי וחשוב בטכנולוגיית חישה מודרנית. ציוד מסוג זה מעבד דגימות גז דרך ראשי גילוי, ובדרך כלל כולל שלבים כגון סינון זיהומים וגזים מפריעים, ייבוש או טיפול בקירור, ובסופו של דבר המרת מידע על ריכוז הגז לאותות חשמליים מדידים. כיום, קיימים סוגים שונים של חיישני גז בשוק, כולל חיישני מוליך למחצה, חיישני אלקטרוכימיה, חיישני בעירה קטליטית, חיישני גז אינפרא אדום וחיישני גז פוטו-יינון (PID) וכו'. לכל אחד מהם מאפיינים משלו והוא נמצא בשימוש נרחב בתחומי בדיקות אזרחיות, תעשייתיות וסביבתיות.

יציבות ורגישות הן שני אינדיקטורים מרכזיים להערכת ביצועי חיישני גז. יציבות מתייחסת להתמדה של התגובה הבסיסית של חיישן לאורך כל זמן העבודה שלו, התלוי בסחיפה אפסית ובסחיפה במרווחי זמן. באופן אידיאלי, עבור חיישנים איכותיים בתנאי עבודה רציפים, סחיפה אפסית שנתית צריכה להיות פחות מ-10%. רגישות מתייחסת ליחס בין השינוי בפלט החיישן לשינוי בקלט הנמדד. הרגישות של סוגים שונים של חיישנים משתנה באופן משמעותי, בעיקר בהתאם לעקרונות הטכניים ולבחירת החומרים שהם מאמצים. בנוסף, סלקטיביות (כלומר, רגישות צולבת) ועמידות בפני קורוזיה הן גם פרמטרים חשובים להערכת ביצועי חיישני גז. הראשון קובע את יכולת הזיהוי של החיישן בסביבת גז מעורבת, בעוד שהשני קשור לסבילות החיישן בגזי מטרה בריכוז גבוה.

הפיתוח הנוכחי של טכנולוגיית חיישני גז מציג מספר מגמות ברורות. ראשית, המחקר והפיתוח של חומרים ותהליכים חדשים ממשיכים להעמיק. חומרים מסורתיים של מוליכים למחצה מסוג תחמוצת מתכת כגון ZnO, SiO₂, Fe₂O₃ וכו' התבגרו. חוקרים מבצעים סימום, שינוי ושינוי פני השטח של חומרים קיימים הרגישים לגז באמצעות שיטות שינוי כימי, ומשפרים את תהליך יצירת הסרט בו זמנית כדי לשפר את היציבות והסלקטיביות של החיישנים. במקביל, מתקדם באופן פעיל גם פיתוח חומרים חדשים כגון חומרים רגישים לגז מוליכים למחצה מרוכבים והיברידיים וחומרים רגישים לגז פולימריים. חומרים אלה מפגינים רגישות, סלקטיביות ויציבות גבוהות יותר לגזים שונים.

האינטליגנציה של חיישנים היא כיוון פיתוח חשוב נוסף. עם היישום המוצלח של טכנולוגיות חומרים חדשות כגון ננוטכנולוגיה וטכנולוגיית שכבה דקה, חיישני גז הופכים משולבים וחכמים יותר. על ידי מינוף מלא של טכנולוגיות משולבות רב-תחומיות כגון טכנולוגיית מיקרו-מכניקה ומיקרואלקטרוניקה, טכנולוגיית מחשבים, טכנולוגיית עיבוד אותות, טכנולוגיית חיישנים וטכנולוגיית אבחון תקלות, חוקרים מפתחים חיישני גז דיגיטליים חכמים אוטומטיים לחלוטין המסוגלים לנטר בו זמנית מספר גזים. חיישן רב-משתני מסוג עמידות כימית לפוטנציאל שפותח לאחרונה על ידי קבוצת המחקר של פרופסור חבר יי ג'יאנשין ממעבדת המפתח הממלכתית למדעי האש באוניברסיטת המדע והטכנולוגיה של סין הוא נציג טיפוסי של מגמה זו. חיישן זה מממש את הגילוי התלת-ממדי והזיהוי המדויק של גזים מרובים ומאפייני אש על ידי מכשיר יחיד 59.

מערך ואופטימיזציה של אלגוריתמים זוכים גם הם לתשומת לב גוברת. בשל בעיית התגובה רחבת הספקטרום של חיישן גז יחיד, הוא נוטה להפרעות כאשר קיימים מספר גזים בו זמנית. שימוש בחיישני גז מרובים ליצירת מערך הפך לפתרון יעיל לשיפור יכולת הזיהוי. על ידי הגדלת ממדי הגז המזוהה, מערך החיישנים יכול לקבל יותר אותות, מה שתורם להערכת פרמטרים רבים יותר ולשיפור יכולת השיפוט והזיהוי. עם זאת, ככל שמספר החיישנים במערך גדל, מורכבות עיבוד הנתונים עולה גם כן. לכן, אופטימיזציה של מערך החיישנים חשובה במיוחד. באופטימיזציה של מערך, שיטות כמו מקדם מתאם וניתוח אשכול מאומצות באופן נרחב, בעוד שאלגוריתמים לזיהוי גזים כמו ניתוח רכיבים ראשיים (PCA) ורשת עצבית מלאכותית (ANN) שיפרו מאוד את יכולת זיהוי התבניות של חיישנים.

טבלה: השוואת ביצועים של סוגים עיקריים של חיישני גז

סוג חיישן, עקרון פעולה, יתרונות וחסרונות, אורך חיים אופייני

לספיחת גז מסוג מוליך למחצה יש עלות נמוכה בשינוי ההתנגדות של מוליכים למחצה, תגובה מהירה, סלקטיביות ירודה, ומושפעת מאוד מטמפרטורה ולחות במשך 2-3 שנים.

גז אלקטרוכימי עובר תגובות חמצון-חמצון (REDOX) כדי לייצר זרם, בעל סלקטיביות טובה ורגישות גבוהה. עם זאת, לאלקטרוליט יש בלאי מוגבל ואורך חיים של 1-2 שנים (עבור אלקטרוליט נוזלי).

בעירה קטליטית של גז דליק גורמת לשינויי טמפרטורה. היא תוכננה במיוחד לגילוי גז דליק וישימה לגז דליק רק למשך כשלוש שנים.

לגזים אינפרא אדום יש דיוק גבוה בבליעת אור אינפרא אדום באורכי גל ספציפיים, אינם גורמים להרעלה, אך יש להם עלות גבוהה ונפח גדול יחסית למשך 5 עד 10 שנים.

פוטו-יינון (PID) לפוטו-יינון אולטרה סגול לגילוי מולקולות גז של VOCs יש רגישות גבוהה ואינה יכולה להבחין בין סוגי התרכובות במשך 3 עד 5 שנים.

ראוי לציין שלמרות שטכנולוגיית חיישני הגז עשתה התקדמות ניכרת, היא עדיין ניצבת בפני כמה אתגרים משותפים. אורך החיים של חיישנים מגביל את יישומם בתחומים מסוימים. לדוגמה, אורך החיים של חיישני מוליכים למחצה הוא כשנתיים עד שלוש שנים, אורך החיים של חיישני גז אלקטרוכימיים הוא כשנה עד שנתיים עקב אובדן אלקטרוליטים, בעוד שאורך החיים של חיישני אלקטרוליט במצב מוצק יכול להגיע לחמש שנים. בנוסף, בעיות סחיפה (שינויים בתגובת החיישן לאורך זמן) ובעיות עקביות (הבדלי ביצועים בין חיישנים באותה אצווה) הן גם גורמים חשובים המגבילים את היישום הרחב של חיישני גז. בתגובה לבעיות אלו, חוקרים, מצד אחד, מחויבים לשיפור חומרים רגישים לגז ותהליכי ייצור, ומצד שני, הם מפצים על או מדכאים את השפעת סחיף החיישן על תוצאות המדידה על ידי פיתוח אלגוריתמים מתקדמים לעיבוד נתונים.

תרחישי יישום מגוונים של חיישני גז

טכנולוגיית חיישני גז חלחלה לכל היבט של החיים החברתיים. תרחישי היישום שלה חרגו זה מכבר מתחום ניטור הבטיחות התעשייתית המסורתי ומתרחבים במהירות לתחומים רבים כגון בריאות רפואית, ניטור סביבתי, בית חכם ובטיחות מזון. מגמה זו של יישומים מגוונים לא רק משקפת את האפשרויות שמביאה התקדמות טכנולוגית, אלא גם מגלמת את הדרישה החברתית הגוברת לגילוי גז.

בטיחות תעשייתית וניטור גזים מסוכנים

בתחום הבטיחות התעשייתית, חיישני גז ממלאים תפקיד שאין לו תחליף, במיוחד בתעשיות בסיכון גבוה כמו הנדסה כימית, נפט וכרייה. "תוכנית החומש ה-14 לייצור בטוח של כימיקלים מסוכנים" של סין דורשת בבירור מפארקי תעשייה כימיים להקים מערכת ניטור והתרעה מקיפה לגזים רעילים ומזיקים ולקדם את בנייתן של פלטפורמות בקרת סיכונים חכמות. "תוכנית הפעולה לאינטרנט התעשייתי פלוס בטיחות בעבודה" מעודדת גם פארקים לפרוס חיישני אינטרנט של הדברים ופלטפורמות ניתוח בינה מלאכותית כדי להשיג ניטור בזמן אמת ותגובה מתואמת לסיכונים כמו דליפת גז. כיווני מדיניות אלה קידמו מאוד את יישום חיישני גז בתחום הבטיחות התעשייתית.

מערכות ניטור גז תעשייתיות מודרניות פיתחו מגוון מסלולים טכניים. טכנולוגיית הדמיית ענן גז ממחישה דליפת גז על ידי הצגה ויזואלית של מסות גז כשינויים ברמות האפור של הפיקסלים בתמונה. יכולת הגילוי שלה קשורה לגורמים כגון ריכוז ונפח הגז הדולף, הפרש טמפרטורת הרקע ומרחק הניטור. טכנולוגיית ספקטרוסקופיית אינפרא אדום טרנספורמציית פורייה יכולה לנטר באופן איכותי וחצי-כמותי למעלה מ-500 סוגי גזים, כולל גזים אנאורגניים, אורגניים, רעילים ומזיקים, ויכולה לסרוק בו זמנית 30 סוגי גזים. היא מתאימה לדרישות ניטור גז מורכבות בפארקים תעשייתיים כימיים. טכנולוגיות מתקדמות אלו, בשילוב עם חיישני גז מסורתיים, יוצרות רשת ניטור בטיחות גז תעשייתי רב-מפלסית.

ברמת היישום הספציפית, מערכות ניטור גזים תעשייתיים צריכות לעמוד בשורה של תקנים לאומיים ובינלאומיים. "תקן התכנון של סין לגילוי והתרעה של גזים דליקים ורעילים בתעשייה הפטרוכימית" GB 50493-2019 ו"מפרט טכני כללי לניטור בטיחות של מקורות סיכון עיקריים של כימיקלים מסוכנים" AQ 3035-2010 מספקים מפרטים טכניים לניטור גזים תעשייתיים 26. מבחינה בינלאומית, OSHA (מינהל הבטיחות והבריאות התעסוקתית של ארצות הברית) פיתח סדרה של תקני גילוי גזים, המחייבים גילוי גזים לפני פעולות בחלל סגור ומבטיחים שריכוז הגזים המזיקים באוויר יהיה מתחת לרמה הבטוחה של 610. התקנים של NFPA (האגודה הלאומית להגנה מפני אש של ארצות הברית), כגון NFPA 72 ו-NFPA 54, מציגים דרישות ספציפיות לגילוי גזים דליקים וגזים רעילים 610.

בריאות רפואית ואבחון מחלות

תחום הרפואה והבריאות הופך לאחד משווקי היישומים המבטיחים ביותר עבור חיישני גז. הגז הננשף של גוף האדם מכיל מספר רב של סמנים ביולוגיים הקשורים למצבים בריאותיים. על ידי גילוי סמנים ביולוגיים אלה, ניתן להשיג סינון מוקדם וניטור רציף של מחלות. מכשיר גילוי אצטון נשימה ידני שפותח על ידי צוותו של ד"ר וואנג די ממרכז המחקר Super Perception של מעבדת ג'ג'יאנג הוא נציג טיפוסי של יישום זה. מכשיר זה משתמש בנתיב טכנולוגי קולורימטרי למדידת תכולת האצטון בנשיפה אנושית על ידי גילוי שינוי צבע של חומרים רגישים לגז, ובכך משיג גילוי מהיר וללא כאבים של סוכרת מסוג 1.

כאשר רמת האינסולין בגוף האדם נמוכה, הוא אינו מסוגל להמיר גלוקוז לאנרגיה ובמקום זאת לפרק שומן. אצטון, כאחד מתוצרי הלוואי לאחר פירוק שומן, מופרש מהגוף באמצעות נשימה. ד"ר וואנג די הסביר 1. בהשוואה לבדיקות דם מסורתיות, שיטת בדיקת נשיפה זו מציעה חוויית אבחון וטיפול טובה יותר. יתר על כן, הצוות מפתח חיישן אצטון בעל "שחרור יומי". מכשיר לביש בעל עלות נמוכה זה יכול למדוד אוטומטית את גז האצטון הנפלט מהעור מסביב לשעון. בעתיד, בשילוב עם טכנולוגיית בינה מלאכותית, הוא יוכל לסייע באבחון, ניטור והכוונה תרופתית של סוכרת.

מלבד סוכרת, חיישני גז מראים גם פוטנציאל גדול בניהול מחלות כרוניות ובמעקב אחר מחלות נשימה. עקומת ריכוז הפחמן הדו-חמצני היא בסיס חשוב להערכת מצב האוורור הריאתי של חולים, בעוד שעקומות הריכוז של סמני גז מסוימים משקפות את מגמת ההתפתחות של מחלות כרוניות. באופן מסורתי, פירוש נתונים אלה דרש את השתתפות הצוות הרפואי. עם זאת, עם העצמת טכנולוגיית הבינה המלאכותית, חיישני גז חכמים יכולים לא רק לזהות גזים ולצייר עקומות, אלא גם לקבוע את מידת התפתחות המחלה, ובכך להפחית משמעותית את הלחץ על הצוות הרפואי.

בתחום המכשירים הלבישים לבישים לבריאות, היישום של חיישני גז עדיין בשלבים מוקדמים, אך הסיכויים רחבים. חוקרים מחברת Zhuhai Gree Electric Appliances ציינו כי למרות שמכשירי חשמל ביתיים שונים ממכשירים רפואיים בעלי פונקציות אבחון מחלות, בתחום ניטור הבריאות היומיומי בבית, למערכי חיישני גז יש יתרונות כגון עלות נמוכה, אי-פולשנות ומזעור, מה שגורם להם להופיע יותר ויותר במכשירי חשמל ביתיים כמו מכשירי טיפוח אוראלי ושירותים חכמים כפתרונות ניטור עזר וניטור בזמן אמת. עם הביקוש הגובר לבריאות ביתית, ניטור מצב בריאות האדם באמצעות מכשירי חשמל ביתיים יהפוך לכיוון חשוב לפיתוח בתים חכמים.

ניטור סביבתי ומניעה ובקרה של זיהום

ניטור סביבתי הוא אחד התחומים שבהם חיישני גז נמצאים בשימוש נרחב ביותר. ככל שהדגש העולמי על הגנת הסביבה ממשיך לגדול, הדרישה לניטור מזהמים שונים באטמוספירה גדלה גם היא מיום ליום. חיישני גז יכולים לזהות גזים מזיקים כמו פחמן חד-חמצני, גופרית דו-חמצנית ואוזון, ומספקים כלי יעיל לניטור איכות האוויר הסביבתי.

חיישן הגז האלקטרוכימי UGT-E4 של חברת British Gas Shield הוא מוצר מייצג בתחום ניטור הסביבה. הוא יכול למדוד במדויק את תכולת המזהמים באטמוספירה ולספק תמיכה בנתונים בזמן ובדייקנות למחלקות להגנת הסביבה. חיישן זה, באמצעות שילוב עם טכנולוגיית מידע מודרנית, השיג פונקציות כגון ניטור מרחוק, העלאת נתונים ואזעקה חכמה, מה שמשפר משמעותית את היעילות והנוחות של גילוי גז. משתמשים יכולים לעקוב אחר השינויים בריכוז הגז בכל זמן ובכל מקום פשוט באמצעות הטלפונים הניידים או המחשבים שלהם, ומספק בסיס מדעי לניהול סביבתי וקביעת מדיניות.

מבחינת ניטור איכות אוויר בתוך הבית, גם חיישני גז ממלאים תפקיד חשוב. תקן EN 45544 שהוציא הוועדה האירופית לתקינה (EN) מיועד במיוחד לבדיקת איכות אוויר בתוך הבית ומכסה את דרישות הבדיקה עבור גזים מזיקים שונים 610. חיישני פחמן דו-חמצני, חיישני פורמלדהיד וכו' נפוצים בשוק נמצאים בשימוש נרחב בבתים פרטיים, מבני מסחר ומקומות בילוי ציבוריים, ועוזרים לאנשים ליצור סביבה פנימית בריאה ונוחה יותר. במיוחד במהלך מגפת הקורונה, אוורור ואיכות אוויר בתוך הבית זכו לתשומת לב חסרת תקדים, מה שמקדם עוד יותר את הפיתוח והיישום של טכנולוגיות חיישנים קשורות.

ניטור פליטות פחמן הוא כיוון יישום מתפתח של חיישני גז. על רקע ניטרליות פחמן עולמית, ניטור מדויק של גזי חממה כגון פחמן דו-חמצני הפך לחשוב במיוחד. חיישני פחמן דו-חמצני אינפרא אדום בעלי יתרונות ייחודיים בתחום זה בשל דיוקם הגבוה, סלקטיביות טובה וחיי שירות ארוכים. "ההנחיות לבניית פלטפורמות בקרת סיכוני בטיחות חכמות בפארקי תעשייה כימיים" בסין רשמו ניטור גזים דליקים/רעילים וניתוח איתור מקורות דליפה כתוכן חובה בבנייה, דבר המשקף את הדגש של רמת המדיניות על תפקיד ניטור הגזים בתחום הגנת הסביבה.

בית חכם ובטיחות מזון

בית חכם הוא שוק היישומים הצרכני המבטיח ביותר עבור חיישני גז. כיום, חיישני גז מיושמים בעיקר במכשירי חשמל ביתיים כגון מטהרי אוויר ומזגני אוויר טריים. עם זאת, עם כניסתם של מערכי חיישנים ואלגוריתמים חכמים, פוטנציאל היישום שלהם בתרחישים כגון שימור, בישול וניטור בריאות מנוצל בהדרגה.

מבחינת שימור מזון, חיישני גז יכולים לנטר את הריחות הלא נעימים הנפלטים ממזון במהלך האחסון כדי לקבוע את טריות המזון. תוצאות מחקר אחרונות מראות כי בין אם משתמשים בחיישן יחיד לניטור ריכוז הריחות ובין אם מאמצים מערך חיישני גז בשילוב עם שיטות זיהוי תבניות כדי לקבוע את טריות המזון, הושגו תוצאות טובות. עם זאת, בשל מורכבות תרחישי השימוש בפועל במקרר (כגון הפרעות מצד משתמשים הפותחים וסגורים דלתות, הפעלתם והפסקתם של מדחסים, זרימת האוויר הפנימית וכו'), כמו גם ההשפעה ההדדית של גזים נדיפים שונים ממרכיבי מזון, עדיין יש מקום לשיפור בדיוק קביעת טריות המזון.

יישומי בישול הם תרחיש חשוב נוסף עבור חיישני גז. מאות תרכובות גזיות מיוצרות במהלך תהליך הבישול, כולל חומר חלקיקי, אלקאנים, תרכובות ארומטיות, אלדהידים, קטונים, אלכוהולים, אלקנים ותרכובות אורגניות נדיפות אחרות. בסביבה מורכבת שכזו, מערכי חיישני גז מראים יתרונות ברורים יותר מאשר חיישנים בודדים. מחקרים מראים שניתן להשתמש במערכי חיישני גז כדי לקבוע את מצב הבישול של מזון על סמך טעם אישי, או ככלי ניטור תזונתי עזר לדיווח קבוע על הרגלי בישול למשתמשים. עם זאת, גורמי סביבת בישול כמו טמפרטורה גבוהה, אדי בישול ואדי מים יכולים בקלות לגרום לחיישן "להרעיל", וזו בעיה טכנית שיש לפתור.

בתחום בטיחות המזון, המחקר של צוותו של וואנג די הדגים את ערך היישום הפוטנציאלי של חיישני גז. הם שואפים להגיע למטרה של "זיהוי עשרות גזים בו זמנית באמצעות תוסף קטן לטלפון נייד", ומחויבים להנגיש בקלות מידע על בטיחות מזון. מכשיר ריח משולב זה יכול לזהות רכיבים נדיפים במזון, לקבוע את טריות ובטיחות המזון ולספק מידע בזמן אמת לצרכנים.

טבלה: אובייקטי גילוי עיקריים ומאפיינים טכניים של חיישני גז בתחומי יישום שונים

תחומי יישום, אובייקטי גילוי עיקריים, סוגי חיישנים נפוצים, אתגרים טכניים, מגמות פיתוח

גז דליק בטיחותי תעשייתי, גז רעיל מסוג בעירה קטליטית, סוג אלקטרוכימי, עמידות לסביבה קשה ניטור סינכרוני רב-גזי, איתור מקורות דליפה

אצטון, CO₂, תרכובות אורגניות נדיפות (VOCs) לרפואה ובריאות, סוג מוליך למחצה, סלקטיביות ורגישות מסוג קולורימטריה, אבחון לביש וחכם

פריסת רשת יציבות ארוכת טווח והעברת נתונים בזמן אמת לניטור סביבתי של מזהמי אוויר וגזי חממה בצורות אינפרא אדום ואלקטרוכימיות

גז נדיף למזון חכם לבית, סוג מוליך למחצה לעשן בישול, יכולת נגד הפרעות PID

אנא צרו קשר עם Honde Technology Co., LTD.

Email: info@hondetech.com

אתר החברה:www.hondetechco.com

טלפון: 86-15210548582+